[논문 리뷰] Earth-like and Tardigrade survey of exoplanets

Madhu Kashyap Jagadeesh, Milena Roszkowska외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 02. 08.

Tardigrade Biology and Ecology참고 문헌 26인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 표면 온도와 기압을 사용하여 외계행성에서 활성 및 휴면 상태의 타르디그레이드의 잠재적 생존 가능성을 평가하는 지표 도구인 주행성 타르디그레이드 지수(ATI)와 냉동생존 타르디그레이드 지수(CTI)를 도입한다. 이 지수는 0(생존 불가)에서 1(보장된 생존)까지 범위를 가지며, 암석-물 행성과 기체-물 행성에서 극한에 내성을 지닌 생물의 생존 가능성을 정량적으로 평가할 수 있는 프레임워크를 제공한다.

ABSTRACT

Finding life on other worlds is a fascinating area of astrobiology and planetary sciences. Presently, over 3500 exoplanets, representing a very wide range of physical and chemical environments, are known. Tardigrades (water bears) are microscopic invertebrates that inhabit almost all terrestrial, freshwater and marine habitats, from the highest mountains to the deepest oceans. Thanks to their ability to live in a state of cryptobiosis, which is known to be an adaptation to unpredictably fluctuating environmental conditions, these organisms are able to survive when conditions are not suitable for active life; consequently, tardigrades are known as the toughest animals on Earth. In their cryptobiotic state, they can survive extreme conditions, such as temperatures below -250°C and up to 150°C, high doses of ultraviolet and ionising radiation, up to 30 years without liquid water, low and high atmospheric pressure, and exposure to many toxic chemicals. Active tardigrades are also resistant to a wide range of unfavourable environmental conditions, which makes them an excellent model organism for astrobiological studies. In our study, we have established a metric tool for distinguishing the potential survivability of active and cryptobiotic tardigrades on rocky-water and water-gas planets in our solar system and exoplanets, taking into consideration the geometrical means of surface temperature and surface pressure of the considered planets. The Active Tardigrade Index (ATI) and Cryobiotic Tardigrade Index (CTI) are two metric indices with minimum value 0 (= tardigrades cannot survive) and maximum 1 (= tardigrades will survive in their respective state). Values between 0 and 1 indicate a percentage chance of the active or cryptobiotic tardigrades surviving on a given exoplanet.

연구 동기 및 목표

• 타르디그레이드—지금까지 알려진 바에서 가장 강건한 생물 중 하나—가 외계행성에서 생존할 잠재 가능성을 정량적으로 평가하기 위한 지표를 개발하는 것.
• 지구와 유사한 조건을 초월하여 타르디그레이드의 극한내성 특성을 반영함으로써 생존 가능성 평가의 격차를 메우는 것.
• 액체 수소와 중온 이외의 조건을 포함하여, 극한 환경 내성까지 포함한 행성의 생존 가능성을 확장하는 우주생물학적 생존 가능 기준을 제시하는 것.
• 휴면 상태와 활성 상태의 타르디그레이드가 견딜 수 있는 내성 한계를 기반으로 한 표준화된 지수 기반 도구를 제공하여 다양한 행성 환경을 비교 평가하는 것.
• 생물학적 내성 능력을 행성 지표에 통합함으로써 향후 외계행성 생존 가능성 선별을 지원하는 것.

제안 방법

• 주행성 타르디그레이드 지수(ATI)는 활성 타르디그레이드의 알려진 생존 한계를 기반으로 표면 온도와 기압의 기하평균을 정규화하여 계산된다.
• 냉동생존 타르디그레이드 지수(CTI)는 동일한 기하평균 접근법을 사용하지만, 휴면 상태의 타르디그레이드가 견딜 수 있는 생존 한계를 반영한다.
• 두 지수 모두 0에서 1 사이의 범위를 가지며, 0은 생존 불가, 1은 주어진 조건에서 보장된 생존을 의미한다.
• 생존 확률은 온도와 기압의 극한 내성 한계에 가까운 정도와 관련이 있다고 가정한다.
• 지수는 표면 온도와 기압에 대한 공개된 데이터를 사용하여 알려진 외계행성과 태양계 천체에 적용된다.
• 지수의 정확도를 높이기 위해 온도와 기압에 로그 변환을 적용하여 기하평균을 정규화하는 프레임워크를 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 극한의 표면 온도와 기압을 가진 외계행성에서 주행성 타르디그레이드가 얼마나 오래 생존할 수 있는가?
• RQ2 지구와 다른 조건을 가진 외계행성에서 휴면 상태의 타르디그레이드가 생존할 확률은 얼마인가?
• RQ3 표면 기하평균 온도와 기압은 타르디그레이드의 생존 한계와 어떻게 관련이 있는가?
• RQ4 ATI와 CTI 지수는 다양한 외계행성 환경에서 극한내성 생물의 생존 가능성을 신뢰성 있게 예측할 수 있는가?
• RQ5 암석-물 행성과 기체-물 행성 등 다양한 유형의 외계행성 간에 지수는 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 주행성 타르디그레이드 지수(ATI)와 냉동생존 타르디그레이드 지수(CTI)는 표면 온도와 기압만을 사용하여 외계행성에서 타르디그레이드의 생존 가능성을 성공적으로 정량화하였다.
• 휴면 상태의 타르디그레이드는 더 넓은 범위의 행성 조건에서 뚜렷이 높은 생존 가능성을 보이며, 이는 높은 CTI 값으로 나타났다.
• 표면 온도가 -250°C에서 150°C 사이이며, 타르디그레이드가 견딜 수 있는 기압 범위 내에 있는 행성들은 CTI 값이 1에 가까워 생존 가능성이 높음을 시사했다.
• 활성 타르디그레이드는 ATI 값이 좁은 온도 및 기압 범위에서만 1에 가까워지므로, 지구와 유사한 조건을 가진 행성에서만 생존이 예측되었다.
• 지수들은 극한 조건에도 불구하고 휴면 상태에서 생존 가능성이 있는 몇몇 외계행성을 특정하여, 이는 타르디그레이드가 휴면 상태일 경우 생존 가능성이 높다는 것을 시사했다.
• 이 프레임워크는 타르디그레이드의 극한내성 특성을 활용하여 전통적인 지구 중심 기준을 초월한 생존 가능성 평가를 확장할 수 있음을 입증했다.